一种微珠自组装系统及制备微珠组装体的方法

技术领域

本发明涉及微米级软磁体制备技术领域，具体涉及一种微珠自组装系统及使用方法。

背景技术

微珠自组装是一种利用磁性颗粒通过外加磁场相互吸引和排斥的力量，从而形成有序结构或组装体的过程。微珠自组装技术是一种重要的研究领域，广泛应用于生物医学、材料科学和纳米技术等领域。在这些领域中，微珠自组装被用于制备微米尺度的结构、构建纳米材料组装体以及进行生物分析和生物检测等。微珠是由磁性材料制成的微小颗粒，通常包括铁氧体(Fe3O4)或氧化铁(如γ-Fe2O3)等磁性材料。这些磁珠具有磁性，可以在外加磁场的作用下产生相互之间的吸引和排斥力。通过调节磁场的强度和方向，可以精确控制磁珠之间的相互作用，从而实现特定的自组装行为。

微珠自组装的背景可以追溯到早期的磁性纳米粒子研究，但近年来，随着纳米技术的飞速发展，微珠自组装得到了广泛的关注和研究。微珠自组装不仅可以用于构建具有特殊功能的纳米结构，如纳米线、纳米球和纳米薄膜等，还可以用于纳米颗粒的分离、纳米装配和微流控等应用。在生物医学领域，微珠自组装被广泛应用于药物传递、细胞分离和基因检测等方面。通过将特定的生物分子(如抗体或核酸)固定在磁珠表面，可以实现对特定细胞或分子的选择性识别和捕获。这种微珠自组装系统可以提高药物的靶向输送效果，加快细胞分离和检测的速度，并具有潜在的临床应用前景。在磁性材料的性能领域，利用微珠自组装技术，可以调控磁性材料的性能和行为。例如，在磁性纳米颗粒的自组装过程中，可以通过调节磁场的强度和方向来改变纳米颗粒的排列方式和磁性耦合。这种方式可以控制磁性材料的饱和磁化强度、磁滞回线、磁导率等性质，拓展了磁性材料的应用范围。

传统的微珠自组装方法通常涉及在磁场中悬浮磁珠，并利用外部磁场控制其自组装行为。这种方法虽然简单易行，但受限于磁珠本身的磁性和形状等因素，自组装的结构和精度有一定的局限性。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种能提高微珠组装体的精度，降低制造成本的微珠自组装系统及制备微珠组装体的方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的提供了一种微珠自组装系统，所述系统包括：第一材料层1和第二材料层2；

所述第一材料层1的上表面设置有若干个凹槽3，所述若干个凹槽3成第一阵列排列；

所述第二材料层2设置于所述第一材料层1上表面，并设置有与凹槽3数量和结构均相同的若干个通孔4，所述若干个通孔4成第二阵列排列，所述第一阵列与第二阵列相对齐；

所述通孔4与所述凹槽3贯通，所述凹槽3的边与通孔4的边一一对齐；

所述系统还包括第一微珠溶液和第二微珠溶液，所述第一微珠溶液和第二微珠溶液填充所述凹槽3。

本发明的另一方面，优选地，所述第一材料层1厚度为d

1、本发明的另一方面，优选地，所述第一阵列的间距为S，所述第一阵列的排列满足以下规则：

本发明的另一方面，优选地，所述第一材料层1的材料为：硅片、玻璃片、陶瓷或者PI膜；所述第二材料层2的材料为：光刻胶。

本发明的另一方面，优选地，所述第一微珠溶液包括：磁性颗粒和无水乙醇，所述第二微珠溶液包括：磁性颗粒和PDMS溶液。

本发明的另一方面，优选地，一种采用如上所述的微珠自组装系统制备微珠组装体的方法，包括：

制作包括凹槽3的第一阵列结构的掩膜板；

在第一材料层1上旋涂光刻胶，将所述掩膜板放置于涂有光刻胶的第一材料层1上，进行曝光；

所述涂有光刻胶的第一材料层1经过曝光显影后，取下掩膜板，采用ICP刻蚀工艺在显影后的第一材料层1上表面制作第一阵列结构凹槽3；

用第一微珠溶液填充所述凹槽3，静置预设的第一时间段后，清理第一材料层1上表面；

用第二微珠溶液填充所述凹槽3，在真空环境下静置预设的第二时间段后，清理第一材料层1上表面；

静置预设的第三时间段；

设置第二材料层于所述第一材料层1上表面，按照预设的工艺在第二材料层2制备第二阵列结构的通孔4，所述通孔4与所述所述凹槽3相对应，所述第二阵列与所述第一阵列相对应。

本发明的另一方面，优选地，所述第一微珠溶液包括磁性颗粒和无水乙醇，所述磁性颗粒和无水乙醇的体积比为1：1～1.2。

本发明的另一方面，优选地，所述第一微珠溶液包括磁性颗粒和PDMS溶液，所述磁性颗粒和PDMS溶液的体积比为1：1～1.2。

本发明的另一方面，优选地，设置第二材料层2于所述第一材料层1上表面包括：所述第二材料层2为光刻胶，用匀胶机旋涂光刻胶于所述第一材料层1上表面。

本发明的另一方面，优选地，所述预设的工艺包括：

掩膜板放置于第二材料层2上，使用显微镜对齐掩模版的第一阵列结构与第一材料层1的第一阵列结构；

进行曝光，取下掩膜板；

使用显影液洗去第二材料层2上的杂质；

获得微珠组装体。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明的微珠自组装系统，利用第一材料层的表面设置第一阵列凹槽，使得磁性颗粒可以精确地自组装于凹槽之中，通过局部精确磁场以及凹槽的控制作用，不仅能够实现磁珠的自组装，并显著提高组装的精确性和效率。提高了微珠自组装的质量和可靠性；第二材料层可以起到固定凹槽内微珠的作用，可以对凹槽内微珠进行限位，制备过程简单、成本较低，按需定制软磁体的厚度，磁场强度较强且均匀，满足微米尺度的要求。

附图说明

图1是本发明一个实施例的微珠自组装系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的微珠自组装方法的概念图；

图3是本发明一个实施例的制备微珠组装体的方法的整体流程图；

附图标记：

1：第一材料层；2：第二材料层；3：凹槽；4：通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

实施例一

一种微珠自组装系统，所述系统包括：图1示出了本发明一个实施例的整体结构图，如图1所示，第一材料层1和第二材料层2；所述第一材料层1的上表面设置有若干个凹槽3，所述若干个凹槽3成第一阵列排列；所述第二材料层2设置于所述第一材料层1上表面，并设置有与凹槽3数量和结构均相同的若干个通孔4，所述若干个通孔4成第二阵列排列，所述第一阵列与第二阵列相对齐；所述通孔4与所述凹槽3贯通，所述凹槽3的边与通孔4的边一一对齐；所述系统还包括第一微珠溶液和第二微珠溶液，所述第一微珠溶液和第二微珠溶液填充所述凹槽3。

此处不限制第一材料层1的具体材料，可以是塑料、也可以是硅片、玻璃片、陶瓷或者PI膜等，可选的，本实施例中，第一材料层1的材料为硅片，也不限制第一材料层1的具体结构，可以是规则的结构，也可以是不规则的结构，可以是厚度一致的结构，也可以是厚度不一致的结构，可以是圆形、矩形、菱形等，可选的，本实施例中，第一材料层1的结构为规则的长方体，此处不限制第一材料层1长方体的具体尺寸，可选的，本实施例中，可以按照实际需求设置；此处不限制第二材料层2的具体材料，可以是塑料、也可以是硅片、玻璃片、陶瓷或者PI膜等，也可以是光刻胶等，可选的，本实施例中，第二材料层2的材料为光刻胶，也不限制第二材料层2的具体结构，可以是规则的结构，也可以是不规则的结构，可以是厚度一致的结构，也可以是厚度不一致的结构，可以是圆形、矩形、菱形等，可选的，本实施例中，第二材料层21的结构为规则的长方体，水平面的截面形状与所述第一材料层1的水平面的截面形状相同，此处不限制第二材料层2长方体的具体尺寸，可选的，本实施例中，可以按照实际需求设置；所述第一材料层1的上表面设置有凹槽3，此处不限制凹槽3的具体形状，可以是规则的圆形、方形、十字形、六边形等，也可以是不规则的形状，可选的，本实施例中，凹槽3的形状是规则的十字形，此处也不限制凹槽3的具体尺寸，所述凹槽3成第一阵列排列，此处不限制第一阵列的具体排列的间距；所述第二材料层2设置有与凹槽3相同的通孔4，所述通孔4成第二阵列排列，所述第二材料层2设置于所述第一材料层1上表面，所述第一阵列与第二阵列相对齐；所述通孔4与所述凹槽3贯通，所述凹槽3的边与通孔4的边一一对齐；也就是说凹槽3与通孔完全对齐，还包括第一微珠溶液和第二微珠溶液，所述第一微珠溶液和第二微珠溶液填充所述凹槽3，此处不限制第一微珠溶液的具体内容，也不限制第二微珠溶液的具体内容，也不限制第一微珠溶液中的微珠与第二微珠溶液中的微珠是否是同一个粒径的微珠，可选的，本实施例中，第一微珠溶液中的微珠与第二微珠溶液中的微珠是同一个粒径的微珠。

本实施例的微珠自组装系统，利用第一材料层的表面设置第一阵列凹槽，使得微珠，也就是磁性颗粒可以精确地自组装于凹槽之中，通过局部精确磁场以及凹槽的控制作用，不仅能够实现磁珠的自组装，并显著提高组装的精确性和效率。提高了微珠自组装的质量和可靠性；第二材料层的通孔与凹槽同样的结构，并且两者的排列阵列也相同，凹槽和通孔相对应，通过第二材料层通孔的边厚度，可以起到固定凹槽内微珠的作用，可以对凹槽内微珠进行限位，并且通孔不阻挡磁性，提高磁性，阵列排布，磁性均匀，制备过程简单、成本较低，按需定制软磁体的厚度，磁场强度较强且均匀，满足微米尺度的要求。

本发明的一个实施例中，进一步，所述第一材料层1厚度为d

本实施例通过第一材料层厚度和凹槽的厚度可以控制软磁体的磁性，并且呈阵列排布，磁性均匀，第二材料层的厚度如果过厚，不利于提高磁性。

本发明的一个实施例中，进一步，所述第一阵列的间距为S，所述第一阵列的排列满足以下规则：

本发明的一个实施例中，进一步，所述凹槽3在水平方向的截面的最小尺寸为L

L

本实施例中，微珠的直径小于凹槽在水平方向的截面的最小尺寸，可以让微珠顺利的进入凹槽内，顺利完成自组装。

本发明的一个实施例中，进一步，所述第一材料层1的材料为：硅片、玻璃片、陶瓷或者PI膜；本实施例中，第一材料层1的需求是不能有表面损伤，细微裂纹、线锯印记，形貌缺陷，弯曲、凹凸、厚薄不均要最小化，所以上述的材料可以满足这些要求，进一步的，本实施例中，第一材料层1的材料为硅片，所述第二材料层2的材料为：光刻胶，第二材料层2的需求是要满足较薄的工艺需求，光刻胶利用匀胶机涂抹在第一材料层1的上表面时，可以满足尺寸要求，并且可以较为简单的制备通孔，简化了工艺，并且光刻胶在光照后有抗腐蚀的功能。光刻胶(Photoresist)又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。在光刻工艺过程中，用作抗腐蚀涂层材料。半导体材料在表面加工时，若采用适当的有选择性的光刻胶，可在表面上得到所需的图像。光刻胶按其形成的图像分类有正性、负性两大类。在光刻胶工艺过程中，涂层曝光、显影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下来，该涂层材料为正性光刻胶。如果曝光部分被保留下来，而未曝光被溶解，该涂层材料为负性光刻胶。按曝光光源和辐射源的不同，又分为紫外光刻胶，包括紫外正和负性光刻胶、深紫外光刻胶、X-射线胶、电子束胶、离子束胶等。光刻胶主要应用于显示面板、集成电路和半导体分立器件等细微图形加工作业。

本发明的一个实施例中，进一步，所述第一微珠溶液包括：磁性颗粒和无水乙醇，所述第二微珠溶液包括：磁性颗粒和PDMS溶液。此处不限制磁性颗粒的具体结构，可选的，可以是粒径均一的磁性颗粒，也可以是粒径大小不一的磁性颗粒，可选的，本实施例中，磁性颗粒的粒径是均一的，可以达到磁性均匀的目的，PDMS溶液固化后可以固定微珠，防止窜动，PDMS溶液为聚二甲基硅氧烷溶液，是一种高分子聚合物，根据相对分子质量的不同，外观由无色透明的挥发性液体至极高黏度的液体或硅胶，无味，透明度高，具有耐热性、耐寒性、黏度随温度变化小、防水性、表面张力小、具有导热性，导热系数为0.134-0.159W/(m·K)，透光性为透光率100％，二甲基硅油无毒无味，具有生理惰性、良好的化学稳定性。电绝缘性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，可在-50℃～200℃下长期使用。具有优良的物理特性，可直接用于防潮绝缘，阻尼，减震，消泡，润滑，抛光等方面，广泛用作绝缘润滑、防震、防油尘、介电液和热载体。

本实施例的微珠自组装系统，利用第一材料层的表面设置第一阵列凹槽，使得微珠，也就是磁性颗粒可以精确地自组装于凹槽之中，并且限制第一材料层、凹槽和第二材料层的厚度关系，通过局部精确磁场以及凹槽的控制作用，不仅能够实现磁珠的自组装，并显著提高组装的精确性和效率。提高了微珠自组装的质量和可靠性；第二材料层的通孔与凹槽同样的结构，并且两者的排列阵列也相同，凹槽和通孔相对应，通过第二材料层通孔的边厚度，可以起到固定凹槽内微珠的作用，可以对凹槽内微珠进行限位，并且通孔不阻挡磁性，提高磁性，阵列排布，磁性均匀，制备过程简单、成本较低，按需定制软磁体的厚度，磁场强度较强且均匀，满足微米尺度的要求。

实施例二

一种采用如上所述的微珠自组装系统制备微珠组装体的方法，包括：

制作包括凹槽3的第一阵列结构的掩膜板；此处不限制掩膜板的具体结构，可以是在正性光刻胶使用情况下的掩膜板，也可以是在负性光刻胶使用情况下的掩膜板；

在第一材料层1上旋涂光刻胶，此处不限制光刻胶的具体内容，可选的，本实施例中，为负性光刻胶，第一材料层1为硅片，1.在硅片表面均匀涂敷RDN-20200P负光刻胶，此处不对涂抹的具体过程做限制，可选的，本实施中，用匀胶机前转600r 10s，后转4000r 30s将RDN-20200P负光刻胶均匀涂敷在硅片表面，确保覆盖整个表面；将所述包括凹槽3的第一阵列结构的掩膜板放置于涂有光刻胶的第一材料层1上，进行曝光；

所述涂有光刻胶的第一材料层1经过曝光显影后，取下掩膜板，光刻胶将形成一定深度凹槽第一阵列的硅片，采用ICP刻蚀工艺在显影后的第一材料层1上表面制作第一阵列结构凹槽3；ICP刻蚀工艺，具体为电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀工作原理是：用高频火花引燃时，部分Ar工作气体被电离，产生的电子和氩离子在高频电磁场中被加速，它们与中性原子碰撞，使更多的工作气体电离，形成等离子体气体。导电的等离子体气体在磁场作用下感生出的强大的感生电流产生大量的热能又将等离子体加热，使其温度达到1×10^4K，形成ICP放电。电感耦合等离子体刻蚀是物理过程和化学过程共同作用的结果，在真空低气压下，ICP射频电源产生的射频输出到环形耦合线圈，以一定比例混合的气体经耦合辉光放电，产生高密度的等离子体，在下电极RF射频作用下，这些等离子对基片表面进行轰击，基片材料的化学键被打断，与刻蚀气体反应生成挥发性物质，以气体形式脱离基片，从真空管路被抽走。ICP刻蚀的优势：ICP刻蚀技术具有刻蚀速率快、选择比高、各向异性高、刻蚀损伤小、大面积均匀性好、刻蚀断面轮廓可控性高和刻蚀表面平整光滑等优点；ICP刻蚀设备结构简单、外形小、操作简便、便于自动控制、适合大面积基片刻蚀。近年来，ICP刻蚀技术被广泛应用在硅、二氧化硅、III-V族化合物、金属等材料的刻蚀上；此处不限制制作的凹槽3的具体厚度，可选的，本实施例中，在硅片上制作出100μm厚度的第一阵列凹槽；

用第一微珠溶液填充所述凹槽3，静置预设的第一时间段后，清理第一材料层1上表面；此处不限制第一微珠溶液的具体内容，可选的，本实施例中，第一微珠溶液包括磁性颗粒和无水乙醇，此处不限制磁性颗粒和无水乙醇的比例关系，可选的，本实施例中，磁性颗粒和无水乙醇的体积比为1：1～1.2，进一步的，本实施例中，磁性颗粒和无水乙醇的体积比为1：1，该比例下，第一微珠溶液可以流入凹槽3内，此处不限制静置的具体环境，也不限制预设的第一时间段的具体内容，可选的，本实施例中，预设的第一时间段为大于等于十分钟，第一时间段内，无水乙醇完成挥发，凹槽3内仅剩下磁性颗粒；此处的磁性颗粒为均一粒径；此处也不限制磁性颗粒的具体材质，可选的，本实施例中，磁性颗粒为四氧化三铁磁性颗粒；清理第一材料层1上表面；此处不限制清理的具体步骤，也不限制清理的具体内容，可选的，本实施例中，擦除样品表面的多余混合物，确保硅片表面干净，可以使用棉签进行擦除；

用第二微珠溶液填充所述凹槽3，在真空环境下静置预设的第二时间段后，清理第一材料层1上表面；此处不限制第二微珠溶液的具体内容，可选的，本实施例中，第二微珠溶液包括磁性颗粒和PDMS溶液，此处不限制磁性颗粒和PDMS溶液的比例关系，可选的，本实施例中，磁性颗粒和PDMS溶液的体积比为1：1～1.2，进一步的，本实施例中，磁性颗粒和PDMS溶液的体积比为1：1，该比例下，第二微珠溶液可以流入凹槽3内，可选的，本实施例中，将四氧化三铁颗粒与PDMS溶液按1：1比例混合，并滴入第一阵列凹槽中，此步骤的作用是用于封口，放入真空环境下静置的作用是以去除气泡并促进第二微珠溶液的渗透；此处不限制清理第一材料层1上表面的具体步骤和方法，可选的，本实施例中，使用刀片去除硅片表面多余的混合物，并用棉签清除残余物质，确保硅片表面干净；此处不限制预设的第二时间段的具体内容，可选的，本实施中，第二时间段为十五分钟；

静置预设的第三时间段；此处不限制预设的第三时间段的具体内容，可选的，本实施例中，预设的第三时间段为一小时，用于混合物固化；

设置第二材料层于所述第一材料层1上表面，按照预设的工艺在第二材料层2制备第二阵列结构的通孔4，所述通孔4与所述所述凹槽3相对应，所述第二阵列与所述第一阵列相对应；此处不限制第二材料层的具体材料，也不限制设置第二材料层于所述第一材料层1上表面的具体方法，可选的，本实施例中，所述第二材料层2为光刻胶，用匀胶机旋涂光刻胶于所述第一材料层1上表面；具体的，本实施例中，设置的方法为涂敷RDN-20200P负光刻胶并对齐，在硅片表面再次用匀胶机前转600r 10s，后转4000r 30s均匀涂敷RDN-20200P负光刻胶，所述预设的工艺包括：掩膜板放置于第二材料层2上，使用显微镜对齐掩模版的第一阵列结构与第一材料层1的第一阵列结构；进行曝光，取下掩膜板；可选的，对齐的具体方法可以是在两者上面设置对齐标志，采用对齐标志进行对齐；

使用显影液洗去第二材料层2上的杂质；获得微珠组装体。

本实施例利用光刻胶和ICP刻蚀工艺制作凹槽，采用溶液的方式将磁性颗粒进入凹槽内，方法简单，并且可以让每个凹槽内的磁性颗粒数目均匀，磁性均匀，并且设置第二材料层为光刻胶，精度能达到要求，并且方便制造通孔，整体成本较低，利于推广。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。

以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。